Лекция №6. Топология физических связей и адресация узлов сети связей

Лекция №6. Топология физических связей и адресация
узлов сети
Как только компьютеров становится больше двух,
возникает проблема выбора конфигурации физических
связей или топологии. Под топологией сети понимается
конфигурация графа, вершинам которого соответствуют
конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное
оборудование
(маршрутизаторы),
а
ребрам
—
электрические и информационные связи между ними.
От
выбора
топологии
связей
зависят
многие
характеристики сети (надежность сети, расширяемость
сети, суммарная длина линий связи).
Среди множества возможных конфигураций различают
полносвязные и неполносвязные:
Рис. 1. Типы конфигураций
В то время как небольшие сети, как правило, имеют
типовую топологию — "звезда", "кольцо" или "общая
шина", для крупных сетей характерно наличие
произвольных связей между компьютерами.
Адресация узлов сети
Еще одной проблемой при объединении компьютеров в
сеть является проблема их адресации (адресации их
сетевых интерфейсов). Один компьютер может иметь
несколько
сетевых
интерфейсов.
Например,
для
образования физического кольца каждый компьютер
1
должен быть оснащен как минимум двумя сетевыми
интерфейсами для связи с двумя соседями. А для создания
полносвязной структуры из N компьютеров необходимо,
чтобы у каждого из них имелся N-1 интерфейс.
Адреса могут быть числовыми (129.26.255.255) и
символьными (site.domain.ru). Один адрес может быть
записан в разных форматах.
Адреса могут использоваться для идентификации не только
отдельных интерфейсов, но и их групп (групповые адреса).
С помощью групповых адресов данные могут направляться
сразу нескольким узлам. Во многих сетевых технологиях
поддерживаются широковещательные адреса. Данные,
направленные по такому адресу, должны быть доставлены
всем узлам сети.
Множество всех адресов, которые являются допустимыми в
рамках некоторой схемы адресации, называется адресным
пространством.
Адресное пространство может иметь плоскую (линейную)
(рис. 2) или иерархическую (рис. 3) организацию.
В первом случае
структурировано.
множество
адресов
никак
не
При иерархической схеме адресации оно организовано в
виде вложенных друг в друга подгрупп, которые,
последовательно сужая адресуемую область, в конце
концов определяют отдельный сетевой интерфейс.
2
Рис. 2. Плоское адресное пространство
Рис. 3. Иерархическая структура адресного пространства
На рис. 3 показана трехуровневая структура адресного
пространства, при которой адрес конечного узла задается
тремя составляющими: идентификатором группы (K), в
которую входит данный узел, идентификатором подгруппы
(L) и, наконец, идентификатором узла (n), однозначно
определяющим его в подгруппе. Иерархическая адресация
во многих случаях оказывается более рациональной, чем
плоская. Примером иерархически организованных адресов
служат
обычные
почтовые
адреса,
в
которых
последовательно уточняется местонахождение адресата:
страна, город, улица, дом, квартира.
К адресу сетевого интерфейса и схеме его назначения
можно предъявить несколько требований:
 адрес должен уникально идентифицировать сетевой
интерфейс в сети любого масштаба;
 схема назначения адресов должна сводить к минимуму
ручной
труд
администратора
и
вероятность
дублирования адресов;
 желательно, чтобы адрес имел иерархическую
структуру, удобную для построения больших сетей;
 адрес должен быть удобен для пользователей сети, т.е.
должен допускать символьное представление;
3

адрес должен быть компактным, чтобы не перегружать
память коммуникационной аппаратуры – сетевых
адаптеров, маршрутизаторов и т.п.
Данные требования противоречивы, поэтому для адресации
обычно используется сразу несколько схем и сетевой
интерфейс компьютера может одновременно иметь
несколько адресов-имен. Каждый адрес используется в той
ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее
удобен.
Для преобразования адресов из одного вида в другой
используются специальные вспомогательные протоколы,
которые называют протоколами разрешения адресов
(address resolution).
Примером плоского числового адреса является МАС-адрес
(аппаратный (hardware) адрес), используемый для
однозначной идентификации сетевых интерфейсов в
локальных сетях. Такой адрес обычно применяется только
аппаратурой, поэтому его стараются сделать по
возможности компактным и записывают в виде двоичного
или шестнадцатеричного значения, например 0081005e24a8.
Типичными представителями иерархических числовых
адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них
поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на
старшую часть — номер сети — и младшую — номер узла.
Такое разделение позволяет передавать сообщения между
сетями только на основании номера сети, а номер узла
используется после доставки сообщения в нужную сеть.
В последнее время, чтобы сделать маршрутизацию в
крупных сетях более эффективной, предлагаются более
сложные варианты числовой адресации, в соответствии с
которыми адрес имеет три и более составляющих.
Такой подход, в частности, реализован в новой версии
протокола IPv6, предназначенного для работы в Internet.
Символьные адреса или имена предназначены для
запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую
4
нагрузку. Символьные адреса можно использовать как в
небольших, так и в крупных сетях. Для работы в больших
сетях символьное имя может иметь иерархическую
структуру, например www.mpei.ac.ru. Этот адрес говорит о
том, что данный компьютер поддерживает www-протакол в
сети МЭИ и данная сеть относится к академической ветви
(ac) Internet РФ (ru).
В современных сетях для адресации узлов, как правило,
применяются все три приведенные выше схемы
одновременно.
Проблема установления соответствия между адресами
различных типов, которой занимаются протоколы
разрешения
адресов,
может
решаться
как
централизованными, так и распределенными средствами.
В случае централизованного подхода в сети выделяется
один или несколько компьютеров (серверов имен), в
которых хранится таблица соответствия друг другу имен
различных типов, например символьных имен и числовых
номеров.
Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен,
чтобы по символьному имени найти числовой номер
компьютера, с которым необходимо обменяться данными.
При распределенном подходе каждый компьютер сам
решает задачу установления соответствия между адресами,
как правило, используется широковещательные сообщения.
Все компьютеры, получив такое сообщение, сравнивают
заданный номер со своим собственным. Тот компьютер, у
которого обнаружилось совпадение, посылает ответ,
содержащий его аппаратный адрес, после чего становится
возможной отправка сообщений по локальной сети.
Распределенный подход хорош тем, что не предполагает
выделения специального компьютера с таблицей
соответствия адресов. Недостатком распределенного
подхода является необходимость широковещательных
сообщений — такие сообщения перегружают сеть, так как
они требуют обязательной обработки всеми узлами, а не
5
только узлом назначения. Поэтому распределенный подход
используется только в небольших локальных сетях, а в
крупных сетях централизованный подход. Наиболее
известной службой централизованного разрешения адресов
является система доменных имен (Domain Name System,
DNS) сети Internet.
Адреса могут использоваться для идентификации:
 отдельных интерфейсов;
 их групп (групповые адреса);
 сразу
всех
сетевых
интерфейсов
(широковещательные адреса).
сети
Адреса могут быть:
 числовыми и символьными;
 аппаратными и сетевыми;
 плоскими и иерахическими.
До сих пор речь шла об адресах сетевых интерфейсов,
которые указывают на порты узлов сети, однако конечной
целью пересылаемых по сети данных, являются не
компьютеры или маршрутизаторы, а выполняемые на этих
устройствах программы — процессы. Поэтому в адресе
назначения должен указываться адрес процесса, которому
предназначены посылаемые данные. После того, как эти
данные достигнут указанного в адресе назначения сетевого
интерфейса, ПО компьютера должно их направить
соответствующему
процессу.
Адрес
процесса
не
обязательно должен задавать его однозначно в пределах
всей сети, достаточно обеспечить его уникальность в
пределах компьютера. Примером адресов процессов могут
служить номера портов TCP и UDP, используемые в стеке
TCP/IP.
6